汽車發動機中不銹鋼管以奧氏體不銹鋼為主，奧氏體不銹鋼(gang)的超聲波探傷歷來是行業內重點研究內容。因為奧氏體組織本身晶粒度較大，會產生大量的干擾信號，給時域內超聲缺陷信號判斷帶來極大困難。本書將以短時傅里葉變換信號處理技術為基礎，簡要介紹奧氏體不銹鋼無縫鋼管裂紋缺陷的信號處理方法。

一(yi)、短時(shi)傅里葉變換

短(duan)時傅里葉變(bian)換(huan)(huan)的(de)實質是一(yi)種加(jia)窗后(hou)的(de)移動傅里葉變(bian)換(huan)(huan)，假設有一(yi)信(xin)號s(t),其短(duan)時傅里葉變(bian)換(huan)(huan)的(de)定義如下：

 根據式（4.9)~式（4.11),在某特(te)定(ding)時(shi)刻b,用寬(kuan)度為(wei)2τ的時(shi)間(jian)窗(chuang)截取信(xin)號(hao)s(t),對所得信(xin)號(hao)做(zuo)快(kuai)速傅里(li)葉(xie)變換(huan)，可獲得信(xin)號(hao)s(t)在特(te)定(ding)時(shi)刻b的幅(fu)度譜，將時(shi)間(jian)窗(chuang)后(hou)移，依次進行相同操作，最終(zhong)得到某一頻率的信(xin)號(hao)在整個信(xin)號(hao)有效時(shi)間(jian)內的幅(fu)度譜，該(gai)方法稱為(wei)短時(shi)傅里(li)葉(xie)變換(huan)。

 1. 窗函(han)數類型選擇

 對短(duan)時(shi)傅里葉變(bian)換而言(yan)，窗函數與窗函數寬(kuan)度的(de)選擇(ze)是關鍵因素，不同的(de)窗函數有各(ge)自(zi)的(de)頻率(lv)特性，窗寬(kuan)度的(de)選擇(ze)要同時(shi)考慮時(shi)間(jian)分辨率(lv)和(he)頻率(lv)分辨率(lv)。

  圖4.13為(wei)(wei)304奧氏體不銹鋼無縫管粗晶反射(she)信號(hao)，反射(she)信號(hao)長度為(wei)(wei)46個(ge)采樣點，按窗寬度50個(ge)采樣點選(xuan)擇不同窗函數分(fen)別做(zuo)STFT處理。不同窗函數的STFT處理結果如圖4.14所示(shi)。

 分析(xi)不同(tong)窗函(han)數STFT圖，矩形窗、三(san)角形窗以及海明窗STFT處理后(hou)的(de)(de)信號(hao)(hao)粗糙(cao)，光順度(du)不夠(gou)，信號(hao)(hao)峰值較(jiao)難(nan)獲取，不宜采用；漢(han)寧窗以及布萊(lai)克曼窗STFT處理后(hou)的(de)(de)信號(hao)(hao)比較(jiao)順滑，信號(hao)(hao)峰值較(jiao)易確定。對(dui)比漢(han)寧窗、布萊(lai)克曼窗，漢(han)寧窗STFT處理所得信號(hao)(hao)幅值較(jiao)大，分辨精度(du)較(jiao)高(gao)，故選擇該窗函(han)數較(jiao)為(wei)適宜。

2. 窗函數(shu)寬(kuan)度(du)選擇

 分(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)窗(chuang)寬(kuan)度(du)(du)是短時(shi)傅里(li)葉變(bian)換(huan)的(de)一個重要(yao)(yao)參(can)數，窗(chuang)寬(kuan)度(du)(du)的(de)選擇決定(ding)能否(fou)正確分(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)出原始信號中的(de)頻(pin)率(lv)變(bian)化情(qing)況(kuang)。分(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)窗(chuang)寬(kuan)度(du)(du)越窄(zhai)，局部頻(pin)譜(pu)(pu)的(de)頻(pin)率(lv)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨率(lv)就(jiu)越低(di)，時(shi)間(jian)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨率(lv)就(jiu)越高(gao)；相反，分(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)窗(chuang)寬(kuan)度(du)(du)越寬(kuan)，局部頻(pin)譜(pu)(pu)的(de)頻(pin)率(lv)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨率(lv)就(jiu)越高(gao)，時(shi)間(jian)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨率(lv)就(jiu)越低(di)。因此(ci)需要(yao)(yao)找(zhao)到一個合適的(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)窗(chuang)寬(kuan)度(du)(du)，使(shi)得局部頻(pin)譜(pu)(pu)在(zai)頻(pin)率(lv)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨率(lv)與時(shi)間(jian)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨率(lv)達(da)到最優效果。

 采用漢寧窗，選擇不(bu)同窗寬度對上(shang)述奧氏體不(bu)銹鋼粗晶反射信號做(zuo)STFT處(chu)理，得到多(duo)個(ge)頻率(lv)的時間(jian)－幅(fu)值譜，其結果如(ru)圖4.15所示。

 分析圖4.15a,當窗(chuang)(chuang)寬度(du)(du)(du)(du)(du)等(deng)于超(chao)聲反(fan)射信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)(du)(du)(du)時，處(chu)理結果的(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)分辨(bian)率(lv)(lv)不足，其中4MHz、5MHz單頻(pin)(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)較(jiao)難分辨(bian)；圖4.15b窗(chuang)(chuang)寬度(du)(du)(du)(du)(du)增加到反(fan)射信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)1.2倍(bei)，單頻(pin)(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)分辨(bian)率(lv)(lv)有所增加；圖4.15c窗(chuang)(chuang)寬度(du)(du)(du)(du)(du)為反(fan)射信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)1.5倍(bei)，單頻(pin)(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)時間(jian)分辨(bian)率(lv)(lv)及頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)分辨(bian)率(lv)(lv)均達到最優；圖4.15d窗(chuang)(chuang)寬度(du)(du)(du)(du)(du)等(deng)于反(fan)射信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)2倍(bei)，單頻(pin)(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)時間(jian)分辨(bian)率(lv)(lv)明顯降低。因(yin)此STFT處(chu)理的(de)(de)窗(chuang)(chuang)函數最佳寬度(du)(du)(du)(du)(du)應在超(chao)聲反(fan)射信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)1.5倍(bei)左右(you)。

二、粗晶奧(ao)氏體不銹鋼管裂紋缺陷(xian)檢(jian)測(ce)

 以外徑21mm、厚度3.2mm的(de)304奧氏體不銹鋼無縫鋼管(guan)為(wei)基管(guan)，細晶試(shi)樣不做熱處理，通(tong)(tong)過(guo)1280℃/4h的(de)熱處理工藝獲得粗(cu)晶試(shi)樣，分別在(zai)細晶和粗(cu)晶樣管(guan)上通(tong)(tong)過(guo)電火花加(jia)工人工缺陷長5mm、深0.2mm、寬0.2mm,檢測超聲中心頻率5MHz,超聲檢測信號如圖(tu)4.16所示。

 對上述信(xin)號(hao)做(zuo)快速傅里葉變(bian)換處(chu)理，得到各自的(de)時頻信(xin)號(hao)圖如圖4.17所示(shi)。

 分(fen)析(xi)圖4.17,當頻率較低時，通常低于4MHz情況下(xia)奧氏體(ti)(ti)不銹鋼樣管細晶－裂(lie)紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)號時間－幅度(du)(du)譜相(xiang)對幅值(zhi)(zhi)較大(da)，粗晶無裂(lie)紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)號時間－幅度(du)(du)譜相(xiang)對幅值(zhi)(zhi)較小(xiao)；當頻率超(chao)(chao)過5MHz時，奧氏體(ti)(ti)不銹鋼樣管粗晶－裂(lie)紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)號時間－幅度(du)(du)譜相(xiang)對幅值(zhi)(zhi)較大(da)，細晶－裂(lie)紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)號時間－幅度(du)(du)譜相(xiang)對幅值(zhi)(zhi)較小(xiao)。

上(shang)述差(cha)異表明超(chao)聲波與奧氏(shi)體不(bu)(bu)(bu)銹鋼裂(lie)紋(wen)(wen)或晶粒(li)相互作(zuo)用(yong)后，裂(lie)紋(wen)(wen)和(he)晶粒(li)對(dui)(dui)超(chao)聲波某些(xie)頻率(lv)的(de)抑(yi)制(zhi)和(he)增強作(zuo)用(yong)不(bu)(bu)(bu)同，回波信號(hao)(hao)的(de)頻率(lv)成(cheng)分會表現出差(cha)異，它體現在反射(she)信號(hao)(hao)中不(bu)(bu)(bu)同頻率(lv)的(de)相對(dui)(dui)幅值隨時間的(de)變(bian)化規(gui)律(lv)不(bu)(bu)(bu)同，這代表著里面含(han)有一定的(de)有關奧氏(shi)體不(bu)(bu)(bu)銹鋼裂(lie)紋(wen)(wen)和(he)晶粒(li)的(de)信息，對(dui)(dui)粗晶奧氏(shi)體不(bu)(bu)(bu)銹鋼缺陷的(de)超(chao)聲時域信號(hao)(hao)分辨(bian)提(ti)供(gong)了分析(xi)手段。